Обычно пыль представляется нам как что-то грязное, что давно не убирали. Но пыль — это не только требующие уборки частички, копящиеся на мониторе и полках: в космическом пространстве пыль играет совершенно другую роль. Об этом подробно рассказывает Анастасия Топчиева, кандидат физико-математических наук.

Анастасия Топчиева

Кандидат физико-математических наук

Что такое межзвездная пыль

Это крошечные твердые частицы из соединений углерода и кремния, похожие на мельчайший песок. Каждая такая пылинка состоит из тугоплавкого ядра и покрывающей его ледяной мантии, в которой при взаимодействии с излучением могут образоваться органические вещества. Размер космических пылинок варьируется от долей микрометра до нескольких сантиметров. Такая пыль связана с формированием звезд нового поколения, планетными системами и образованием в космосе сложных химических соединений. Всего пыли в межзвездном пространстве примерно 1% от общего количества вещества, находящегося между звездами.

Сама пыль образовалась в результате эволюции звезд. Это происходит на поздней стадии эволюции красных гигантов и при взрыве некоторых сверхновых. Большое количество пыли обнаруживается в межзвездных газопылевых облаках, где формируются новые звезды. Это могут быть холодные молекулярные облака или протозвездные.

В космосе есть еще более мелкие пылинки, которые называются «полициклические ароматические углеводороды» (ПАУ), их размер составляет около миллионной доли сантиметра. В их состав входит молекулярная структура, которую называют бензольным кольцом. Обычно молекулы, у которых есть такие кольца, имеют сильные характерные запахи (бензол, нафталин), отсюда и название «ароматические». Таких колец внутри одной ПАУ может быть очень много, и точная структура этих частиц пока остается неизвестной.

Как астрономы изучали пыль?

Наличие в межзвездном пространстве такой компоненты, как пыль, предполагалось давно, но первые ее проявления были обнаружены в 1930 году. Роберт Трамплер проводил оценку фотометрических расстояний до рассеянных и шаровых звездных скоплений в диске нашей Галактики. Он брал блеск самой яркой звезды в одном скоплении и сравнивал с блеском самой яркой звезды в другом. Так он обнаружил, что звездные скопления становятся тусклее по мере удаления от Солнца и что чем дальше от нас скопление, тем оно краснее. Это означает, что в межзвездном веществе присутствуют пылевые частицы, которые поглощают свет звезд, делая их блеск тусклее и краснее. Чем дальше звезда, тем больше между ними межзвездного вещества и тем сильнее поглощение. Так впервые появился термин «межзвездное покраснение света», его также называют ультрафиолетовым (УФ) поглощением.

В видимом и УФ-диапазоне пыль хорошо поглощает свет. Но в наблюдениях пыль можно увидеть не только в поглощении. Есть еще рассеяние, как в отражательных туманностях: в этом случае мы видим свет не от самой пыли, а отразившийся от пылинки свет близкой звезды. А вот в инфракрасном (ИК) диапазоне можно увидеть тепловое излучение самой пыли. Чем дальше область, тем более холодную пыль можно наблюдать. Также в ближнем ИК можно увидеть яркие полосы излучения, которые выдают присутствие ПАУ.

Анализ наблюдаемого излучения и поглощения помогает составить теоретическую модель межзвездной пыли. Можно рассчитать, как будет выглядеть в различных диапазонах пыль определенного размера и химического состава, и сравнить с тем, что наблюдается в реальности.

Помимо теоретических моделей и наблюдений, существуют лабораторные эксперименты. Хотя космические условия не всегда удается в точности повторить в эксперименте, он помогает найти ответы на многие вопросы в астрономии.

Так, ученые пытаются выращивать в лабораторных условиях межзвездные льды, например чтобы посмотреть, как много в них может быть сложных органических молекул. Также они изучают скорости химических реакций, происходящих на поверхности пыли, особенности движения пылинок и их взаимодействие с излучением. Многие химические реакции в космосе происходят именно на поверхности пылинок, то есть пыль в них играет роль катализатора для формирования сложной органики. Поэтому химия на поверхности пылинок — это один из важнейших аспектов лабораторных исследований. Это направление помогает получить точные данные о реакциях, которые затем используются в теоретическом моделировании для объяснения наблюдательных данных.

В межзвездной среде в настоящее время открыто примерно 270 молекул. Исследования показали, что химический состав межзвездного вещества во время формирования планетной системы солнечного типа может помочь отследить историю самой системы. Остаточная пыль в Солнечной системе: астероиды, кометы, планеты, межзвездные облака, — все это связующие кирпичики, которые помогают найти ответы на вопросы о том, как именно на протяжении миллиардов лет развивалась наша Солнечная система и какие изменения произошли в ее физическом и химическом составе. Также эти исследования помогают понять, как формируются и преобразуются планетные системы у других звезд.

Нам примерно понятно, из чего сделана пыль, какие в ней есть компоненты, элементы, молекулы, минералы. Но, несмотря на это, точный состав пыли в межзвездной среде пока до конца не установлен. Из спектральных наблюдений межзвездной среды известно, что в межзвездной пыли есть силикаты, есть графитовая (углистая) составляющая, есть полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Стандартные и широко применяющиеся модели описывают пыль как совокупность двух отдельных популяций мелких и крупных пылинок, а также предполагают существование отдельно силикатных и углистых пылинок. Недавние исследования представили новую модель межзвездной пыли, в которой нет отдельно силикатных и углистых пылинок, а вся пыль состоит из смеси графита и силикатов. Авторы называют этот материал астропылью. Кроме того, в этой новой модели предполагается, что существуют еще и мелкие композитные пылинки с включением ПАУ. Эта модель хорошо описывает современные и более точные наблюдательные данные. Но пока это предположение проверялось только для более «тонких» межзвездных облаков. Для плотных молекулярных облаков, где формируются звезды, и тем более для протопланетных дисков ситуация может быть сложнее. Но ученые верят, что именно изучение пыли поможет лучше понять, как формируются планеты и даже сложные органические соединения. Но для этого нужно найти хотя бы ответ на вопрос «Как облака пыли могут дорасти до размеров планет?».